Ali Pourahmad 的发明 | 类别：世界新发明 | 相关：科学发现与技术发明
通过开发和改进激光技术的冷却系统克服超深钻探的局限性，获取地热能源或钻油井|利用地热能源井发电
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
◉ 引言和目标:
本文简要介绍了通过开发和改进激光技术的冷却系统来消除深钻限制，从而获取地热能源或钻探超深油井的发明。
从不可再生能源向可再生能源的转型以及由此导致的人类社会对能源消耗日益增长的需求，已成为当今世界最重要的议题之一，因为在许多国家，获得更廉价的能源被视为进步和繁荣的关键要素。然而，这种进步的代价是对环境的不可逆转的破坏，包括温室气体的过度排放及其带来的破坏性影响。例如，欧盟超过75%的温室气体排放来自不可再生能源，而从不可再生能源向无二氧化碳的清洁能源生产技术转型和脱碳已被联合国可持续发展目标（SDGs）列为第七项具体目标。因此，开发和优化可再生能源技术，例如可以从地下数公里深的井中获取的地热能，可能是克服环境破坏问题的主要解决方案之一。在此背景下，作为能源生产的主要掌控者，各国政府正努力寻求更具成本效益和可操作性的深层钻探解决方案，例如探索未知的海洋深处。因为海洋覆盖了地球表面约70%的面积，而大部分水体位于2000米以上的深度。然而，利用现有技术，在5000米以上的深度钻探目标面临着一定的技术挑战和局限性。而这正是我试图通过发明一种新型激光冷却系统来解决的问题。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
激光钻探创新技术为利用热交换器深入钻探提供了契机，这是传统钻探技术无法实现的。传统钻探技术（考虑到设备需求以及钻柱部件，特别是钻头的磨损，导致非生产时间（NPT）增加和完井成本上升）面临的主要挑战，也是到达地球深处的主要障碍。目前，已有大量实验和研究将激光钻探与机械钻探相结合，但这种组合技术在能源生产中的应用仍面临诸多难题，例如传统开环地热能开采对岩层裂缝的保护或扩大要求。激光钻探技术面临的最重要挑战在于如何冷却钻头以及如何从极深的井眼中冲洗熔融岩浆。尽管存在这一技术难题，我们也应关注一个重要方面，即在已制定的地热能开发利用规划目标中，"深激光钻探"被认为是破坏和钻探位于深处的极其坚硬的结晶岩层的唯一解决方案。毫无疑问，在不久的将来，随着"深激光钻探"技术的投入使用，我们将能够穿透富含辐射热的极深地层。
尽管地球深处辐射热的存在已被证实，但大规模商业化开采这种宝贵能源仍然面临诸多挑战。目前，虽然有一些热水储层（地表以下2至3公里处，温度在50至100摄氏度之间）可供利用，但这些热水资源仅限于地质条件适宜的构造活跃区域，例如间歇泉或火山区。另一方面，世界各地在地表以下8至10公里以上的深处都蕴藏着超高温岩层，我们可以利用这些岩层作为高密度流体来加热发电厂所需的抽水。然而，开采这些超高温岩层并非易事，因为这些地质构造位于地表以下10公里处，是典型油井深度的两倍多。在如此深的井下，极高的压力和温度会导致碳化钨钻头或金刚石钻头的机械齿和轴承迅速变脆失效，从而造成油井钻探速度极慢，甚至低至每小时一米。此外，如果再加上从极深的井底艰难取出更换敏感钻井部件这一耗时耗力且成本高昂的问题，我们就能理解为什么地热系统（利用过热岩层进行大规模开采）实际上被排除在"全球清洁能源生产组合"的95%之外。然而，克服超深钻探技术限制的机会依然存在，本文提出的新思路正是基于此。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
激光钻探技术中存在一些需要工程师、创新者和发明家解决的技术难题。例如，当钻孔深度超过10公里时，如何保持光束相干性并防止能量沿波导壁损耗，仍然是激光钻探早期工程设计中的一个严峻挑战。另一方面，将吹扫气体输送到地下数公里以清除岩石纳米颗粒，会在薄薄的钻孔壁上造成严重的流体摩擦，需要使用功率极高的压缩泵来补偿这种压力损失。另一个重要问题是，深钻可能会在钻井站附近的居民区或动植物栖息地引发微地震，这引发了人们普遍的环境担忧。造成这一挑战的部分原因是，传统的先进地热系统和非常脆弱不稳定的年轻构造边界，其目标区域往往位于断层线上，而断层线上往往蕴藏着浅层地热。然而，随着这项技术在不久的将来不断发展，在大多数地区进行更深的激光钻探将成为可能，并且能够在远离人类居住地和动植物栖息地的地方获取地热资源。因此，未来95%的超深钻井作业都可以在稳定的、平面内的环境中进行，这些环境完全与活动断层线和地震活动风险隔离。近年来，对化石燃料（尤其是石油和天然气）的持续增长的需求，推动了钻井勘探行业向极深水域的钻探，在这些水域，钻井深度超过7500米，成本极其高昂（超过1亿美元）。在如此深的深度，储层面临着严峻的挑战，孔隙压力极高，通常甚至超过138兆帕。
尽管存在上述一些问题，但鉴于未来化石燃料污染风险日益增加，利用地热能生产可再生能源仍然至关重要。虽然随着钻井深度的增加，钻井工具的磨损和钻速降低会导致钻井成本上升，从而带来经济风险，但将高功率激光钻探与螺旋钻探或水射流钻探相结合，可以显著降低深层地热钻探的成本，同时提高钻井速度，使其成为长期消费中一种经济高效的可再生能源。本文提出的激光钻探系统利用激光冷却技术，能够显著降低深层地热钻探的成本，并有助于将地热能作为一种可靠且可持续的地下热源无限利用。本文提出的方案能够使激光钻探在极深且高温的地层中运行，并以相对环保的方式与其他可再生能源（如太阳能、风能和水力发电）形成互补，从而有助于实现能源结构目标。尽管化石燃料和核能仍被认为是造成环境破坏的主要因素，因为它们会产生不可再生资源，但地热发电厂可以全天候持续稳定地发电，且不完全依赖水流、阳光或风力。因此，任何能够实现防止全球污染蔓延这一重要目标的方法和理念都至关重要，无疑值得研究、开发和实施。
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◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
◉ 本发明补充和技术说明:
由于非常坚硬的岩石的存在，大深度钻孔的过程受到阻碍，这会减慢钻头进入地下的速度。这种缓慢在深度超过 15,000 英尺（5 公里）的井中更为明显，因为这些深度的钻速在每小时 60 至 90 厘米之间，很容易在最后 10% 的井中消耗掉总钻井成本的 50%。在这些深度，裂缝斜率非常浅，在密度和循环压力方面对钻井液产生了严格的技术限制。大深度钻探的另一个困难挑战是遇到具有 30 至 6000 万年历史的硬盐丘，这些盐丘位于下第三纪沉积物的顶部。由于这些深度存在盐，下面的岩石没有被压实，而是变成了碎石，这些盐丘碎石导致井被堵塞，使得在很深的地方继续用钻头钻探变得非常困难和昂贵。如此深度的井会遇到高压和高温（高温高压井），这无疑需要由更昂贵、更高效和更厚的金属制成的设备才能继续钻探。这一严峻的挑战促使专门从事钻井的公司转向发明和开发不同于传统钻井的新技术，这被称为"发明控制压力钻井的新方法"。
为了克服这些挑战，钻井行业必须转向新的渗透方法，例如使用激光的混合钻井。该领域的专家正在设计一种高性能硬件系统，通过柔性光纤电缆长距离传输高功率激光。当激光的破坏力与机械钻头相结合时，它可以快速、持续地穿透坚硬的岩层（例如花岗岩和石英岩），而这些岩层非常昂贵，有时甚至无法使用传统的机械钻头进行钻孔和穿透。事实上，瞄准并发射在岩石上的激光能量有效地使岩石完全脆化和软化，因为岩石晶体之间的键被削弱并且岩石的纹理中出现裂缝。这种"预穿透过程"使机械钻头能够更快地穿透最坚硬的岩石并穿透得更深。激光辅助钻探有可能比传统机械钻探技术经济高达 10 倍，但这一诱人的前景需要进一步发展并克服地球深处高温和酷热的挑战，然后才能商业化和完美实施。极高的温度很容易影响激光器的运行，由于电能的强大放电，激光器的部件达到很高的临界温度，导致地下深处的激光设备出现故障。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
激光钻孔技术面临的主要挑战和重要障碍是压机模块或激光耦合器本体过热的问题。为了解决这个问题，我设计了一种在激光压机腔体内使用低温氮气的方案。激光与低温气体的协同作用，能够有效控制钻孔路径中激光模块周围的温度，即使在临界温度下也能实现深孔钻进。此外，我们还可以通过安装在机头透镜附近的传感器精确分析温度，从而以短促但连续的间隔控制激光能量的释放。这样，在保持钻孔连续性的同时，我们能够防止激光腔体温度过高。另外，还需要使用光学摄像机和热像仪来监测机械钻头和激光钻头联合钻进过程中的温度变化，以确保低温气体在激光腔体内部的沟槽中持续流动，从而使激光模块的温度在整个钻孔过程中保持在正常水平。在这种受控条件下，随着联合钻井的继续进行，破碎、熔化和蒸发的岩石小颗粒会以气流的形式通过钻孔环被推到地面。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
从本文末尾的视频中可以看到，激光设备的主腔被放置在外壳内以进行隔热。在这个想法中，外壳被认为是机械-激光钻孔组合设备的主体，我设计的设备是为了在外壳中以往复的方式传输制冷剂气体、一系列内部凹槽和柔性制冷剂管道。狭窄的毫米级凹槽以螺旋网络形式遍布整个主体壁，以在地球深处的极高温度下实现终极的隔热效率。此外，嵌入外壳中的螺旋网络状厚管有助于钻头以压缩形式向钻孔释放必要且受控量的制冷剂气体。制冷剂气体的释放使得钻头周围环境温度的持续降低过程得以有效地进行。需要注意的是，根据钻井系统的类型，深部钻井中通常使用四种气体作为潜在的低温气体：氩Ar、氪Kr、氦He和氮气N2。对于这个设计的想法，我选择了氮气作为具有连续剪切应力和适当弹性的低温流体。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
由于高能激光束发射器位于压腔中心，我们可以将排出的制冷剂气体导向激光设备外壳，从而提高降温效率。为此，我在机身鼻环上设计了大量的制冷剂出口喷嘴。每个气阀都有两个出口喷嘴，一个喷嘴指向钻体，另一个喷嘴指向返回钻孔的方向。这些喷嘴的工作原理是：制冷剂气体进入机身内的螺旋制冷剂管道后，经过压缩泵送，再通过机身合金结构中的狭窄制冷剂槽，以高压导向出口喷嘴。制冷剂气体从每个气阀的两个出口喷嘴喷出后，再次冲击钻体外壳，部分气体在钻孔周围环境中被压力释放，并向上泵送至钻孔出口。这种组合使得钻体内外的高温与制冷剂直接接触，从而有效地降低温度。
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这样，激光设备压腔本体便分两个连续阶段与氮气制冷剂接触。第一阶段，制冷剂流经遍布本体表面的毫米级细槽，使激光模块本体内部温度下降；第二阶段，制冷剂流经环绕本体的柔性管道，最终从喷嘴流向本体外壁，进一步降低本体内部设备的温度。换言之，通过低温流体的循环（分两个阶段环绕激光模块本体）进行连续隔热，可防止钻孔中的热分子渗入激光设备，从而实现对钻头温度的有效控制。考虑到在深井中，钻孔末端的环境温度很高，而位于这种环境中的设备非常脆弱，在组合钻头中使用低温气体释放技术可以极大地帮助稳定平衡温度速率，从而使钻探能够继续并深入到地层中。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
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◉ 类别：世界各地发明家的新发明
钻井设备前端低温气体泵送压力速率和安全温度控制过程主要通过仔细分析钻进地下各阶段的功率密度（Pρ）、辐照时间（ti）和岩石学特征（结构、化学成分和矿物组成）来进行计算和实施。利用不同工艺之间的功率密度阈值，可以对钻进深度进行精确的工程计算和预测。这些计算至关重要，因为我们可以通过考虑两种钻井方法（热剥离-熔化和蒸发破碎）来精确控制低温气体的消耗压力速率。这两种方法中岩石或材料的去除都会直接影响冷却系统中低温气体的温度控制程度和消耗量。例如，热压裂通过矿物的热膨胀和机械屈曲将岩屑排出井外。该过程在相对较低的温度（约500摄氏度）下进行，自然需要的制冷剂气体消耗量也较低，因此在能源消耗方面更高效。
但与之相反，在破碎过程中，矿物壳层上会产生切口，这些切口必须有效地从钻孔中清除，以保持钻进速度恒定。为此，超强激光技术可将矿物材料在2100摄氏度以上的高温下熔化汽化，通过蒸发熔融材料并将其排出钻孔来去除岩石。因此，该方法需要消耗更多的低温气体来控制激光设备尖端的温度变化，从而比热破碎法消耗更多的能量。为了克服熔化汽化法的一些局限性，我们可以根据高温环境调整钻机头部的制冷剂气体消耗量，但这会导致制冷剂气体消耗量增加；或者，我们可以优化钻机头部的制冷剂气体消耗量，在特定温度范围内对岩石进行热破碎，从而有效地清除钻孔中的所有岩石碎片，这样可以减少制冷剂气体的消耗。然而，采用第二种方法在钻孔壁上形成玻璃层的可能性并非遥不可及。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
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◉ 类别：世界各地发明家的新发明
钻头的加热程度和激光设备在地球不同区域的温升各不相同。在陆地和海洋深钻作业中，这种差异尤为显著，因为这两个区域到达高温点的距离不同。此外，根据机械钻头的尺寸和类型以及安装在钻头上的其他激光设备，不同区域的钻孔直径也各不相同。在这种情况下，激光压腔的外壳（由狭窄的低温气体槽组成）可以沿着钻孔直径延伸，轻松进入孔内，并通过安装在其喇叭口上的喷嘴冷却激光器及其周围环境，从而继续钻孔。虽然喇叭口直径越大，冷却液与高温激光模块本体的接触面积越大，有助于进一步降低温度，但钻头冷却系统的喇叭口设计并非强制性的。根据环境条件，冷却系统喇叭口的直径可以减小或增大。如果我们必须减小喇叭状部分的直径，我们可以通过增加气体出口喷嘴的数量来弥补形状上的这种变化。
随着深度的增加，温度变化变得更加显著。无论深度深浅，钻井作业都会面临温度、压力、密度和岩石粘结力等因素的变化，这取决于所在区域以及下伏岩层的质地，这就要求钻井设备具备相应的动力和技术以适应这些环境。例如，在岩性上最坚硬的岩石（花岗岩）所在的深层区域，温度和压力的变化速率与在最常见的地热储层岩石（如砂岩和石灰岩）所在的区域截然不同。因此，在克服关键点温度带来的破坏性挑战的同时，仍然有机会运用"最佳钻井温度控制"的理念。此外，我们还可以通过添加和使用其他先进的分析技术，例如热成像、摄影测量和电子显微镜，对钻井作业过程中的渗流过程进行即时和物理分析，从而最终实现到达地热能源资源深处的目标。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
利用摄影测量技术对油井和钻孔进行形态分析，可以估算钻速（ROP）和比能耗（Se）等性能参数。本文提出的低温舱方案也能有效降低油井钻探成本，提高钻井速度。然而，由于大部分石油开采（不包括必要的辅助产业）用于生产不可再生能源并造成环境污染，作为本文方案的设计者，我建议区分油井钻探的不同目的。我们必须负责任地寻求替代方案，以取代目前主要用于生产化石燃料能源的石油开采活动。根据本文所述方案，开发深层地热能可能是替代石油开采（用作燃料）的最佳选择。
本文提到的一些挑战依然困扰着钻探行业，例如如何钻探超深井以获取地热能并开采油气藏。这些挑战促使人们加大研究力度、扩大投资，并积极鼓励创新者的科研项目，从而加速该技术的发展。事实上，更高效的能源管理，结合新理念和地质力学模型，将推动钻探行业加速发展，并为在陆地或深水区进行更深、更安全、更经济的作业创造条件。未来，从现有油井中开采石油或许将成为历史，钻探行业必须做好准备，迎接后石油时代的挑战，并致力于开发深井钻探技术以获取地热资源。届时，油气将不再是能源生产的主要来源，而地球深处超高温地层的热量将成为清洁技术发展的未来保障。因此，钻井行业必须加快步伐，继续在该领域进行研究和创新，并在钻井设备和技术进行质和量的改进的同时，研究和运用创新理念。
◉ 发明：钻探深井以获取石油和地热能
◉ 发明人及专利所有人：阿里·普拉赫迈德
◉ 类别：世界各地发明家的新发明
在本文的最后一部分，作为一名不可再生能源使用方面的批评者，我认为有必要重申对石油作为各行业主要燃料来源而肆意开采所引发的严重环境问题的警告。众所周知，由于各种技术原因或战争，大量石油曾多次泄漏到海洋中。未经处理的石油泄漏会对海鸟和海洋哺乳动物造成严重危害，降低它们的保温能力，使它们更容易受到体温过低和温度波动的影响，甚至丧失飞行能力。这些哺乳动物和鸟类试图清理自身时，也会吞食原油，损害其内脏器官，最终导致新陈代谢失衡和脱水。另一方面，当石油泄漏覆盖水面，阻挡阳光照射到水面时，海洋植物和浮游植物也会受到严重损害，因为以石油为食的细菌会将其他细菌从生态系统中驱逐出去。残酷的现实是，目前尚无完美的油污清除方法，因为从水面收集油污的能力仅受环境条件的限制，而大部分未浮出水面的油污仍会残留在水体底层。即使是目前采用的燃烧、分散剂和化学药物等方法，虽然能更快地分解油污，但也容易将油污转移到生态系统的其他部分。不幸的是，这种情况在地球生态系统中极难甚至有时根本无法弥补。
与其他发明一样，这项理念/发明也具有进一步开发和优化的潜力，可用于钻探更深的井。利用"新型激光冷却系统理念"，我们可以以远低于传统机械方法的成本极大地辅助深井钻探，并最终获得清洁且取之不尽的地热能源，用于在世界各地发电。
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◉ 通过开发和改进激光技术冷却系统消除大深度钻孔限制的视频 / 类别：Ali Pourahmad 的发明
◉ 本视频动画创作者：Ali Pourahmad
◉ 本视频的音乐作曲家：Ali Pourahmad
◉ 叙述者：阿里·普拉哈迈德
◉ 语言：英语
◉ 字幕：无
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